катушка Тесла в Questacon, Национальный центр науки и технологий в Канберре, Австралия | |
использует | приложение в учебных демонстрациях, новинка освещение, музыка |
---|---|
Изобретатель | Никола Тесла |
Сопутствующие продукты | Трансор, электромагнитное поле, резонанс |
A Катушка Тесла представляет собой электрическую цепь резонансного трансформатора разработал изобретателем Никой Тесла в 1891 году. Он используется для производства высокого напряжения , низкого тока, высокой частоты переменного тока электричества. Тесла экспериментировал с различными конфигурациями, состоящими из двух, а иногда и трех связанных резонансных электрических цепей.
Использованы эти схемы для проведения инновационных экспериментов в области электрического освещения, фосфоресценции, генерация рентгеновских лучей, высокочастотные переменного переменного тока, электротерапия и передача электрической энергии без проводов. Цепи катушки Тесла коммерчески использовались в искровых радиопередатчиках для беспроводного телеграфии до 1920-х годов, а также в медицинском оборудовании, таком как электротерапия и фиолетовый луч устройства. Сегодня они в основном используются для развлекательных и образовательных дисплеев, хотя небольшие катушки все еще используются в качестве детекторов утечек для систем высокого вакуума.
Катушка Тесла - это радиочастотный осциллятор, который управляет воздушным сердечником. двойной резонансный трансформатор для создания высокого напряжения при малых токах. В оригинальных схемах современных катушек используется искровой разрядник для возбуждения колебаний в настроенном трансформаторе. Более сложные конструкции используют транзисторные или тиристорные переключатели или ламповые электронные генераторы для управления резонансным трансформатором.
Катушки Тесла могут создавать выходное напряжение от 50 киловольт до нескольких миллионов вольт для больших катушек. Выход переменного тока находится в диапазоне низких радиочастоты, обычно от 50 кГц до 1 МГц. Хотя некоторые катушки, управляемые генераторы, генерируют непрерывный ток переменный ток, большинство катушек Тесла имеют импульсный выход; Высокое напряжение из быстрой установки импульсов высокочастотного переменного тока.
Общая схема катушки Тесла с искровым возбуждением, показанная ниже, состоит из следующих компонентов:
Специализированный трансформатор, использование в цепи катушки Тесла, называемый резонансным трансформатором, колебательным трансформатором или радиочастотным (RF) трансформатором, работает по-разному. от обычного трансформатора, используемого в цепях переменного тока. В то время как обычный трансформатор для передачи энергии от первичной обмотки вторичной, резонансный трансформатор также для временного хранения электроэнергии. Каждая обмотка имеет емкость и функционирует как LC-контур (резонансный контур, настроенный контур ), накапливая колеблющуюся электрическую энергию, аналогично тому, как камертон накапливает колебательную механическую энергию. первичная катушка (L1), состоящая из относительно небольшого количества витков толстой медной проволоки или трубки, подключена к конденсатору (C1) через искровой разрядник (SG). Вторичная катушка (L2) состоит из множества витков (от сотен до тысяч) тонкой проволоки на полой цилиндрической форме внутри первичной обмотки. Вторичная обмотка не подключена к реальному конденсатору, но она также функционирует как LC-цепь, индуктивность (L2), резонирует с паразитной емкостью (C2), суммой паразитной емкостью паразитной емкости между обмотками катушка и емкость тороидального металлического электрода , прикрепленного к высоковольтному выводу. Первичная и вторичная цепи настроены так, что они резонируют на одной и той же частоте, у них одинаковая резонансная частота. Это позволяет им обмениваться энергией, поэтому колеблющийся ток попеременно перемещается между первичной и вторичной обмотками. В физике эти две связанные контуры резервуара также известны как связанные генераторы.
Особая конструкция конструкции, продиктована необходимостью достижения низких резистивных потерь энергии (высокая добротность ) на высоких частотах, что приводит к самым высоким вторичным напряжением:
Выходная цепь может иметь две формы:
Схема работает в быстром повторяющемся цикле, в котором трансформатор питания (T) заряжает первичный конденсатор (C1), который разряжается искрой через искровой промежуток, создавая короткий импульс колеблющегося тока в первичной цепи, который возбуждает высокое напряжение колебательное напряжение на вторичной обмотке:
Весь этот цикл происходит очень быстро, колебания затухают за время порядка миллисекунды. Каждая искра в искровом промежутке импульсного импульса на выходе синусоидального затухающего напряжения. Каждый импульс гаснет появление до следующей искры, поэтому катушка генерирует цепочку затухающих волн, а не непрерывное синусоидальное напряжение. Высокое напряжение питающего трансформатора, заряжает конденсатор, представляет собой синусоидальную волну с частотой 50 или 60 Гц . В зависимости от того, как установлен искровой разрядник, обычно на пике каждого полупериода сетевого тока возникает одна или две искры, поэтому в секунду более сотни искр. Таким образом, искра в искровом промежутке кажется непрерывной, как высоковольтные стримеры в верхней части катушки.
Вторичная обмотка питающего трансформатора (Т) подключена через первичную настроенную цепь. Может показаться, что трансформатор будет путём утечки высокочастотного тока, гасящего колебания. Однако его большая индуктивность дает ему очень высокий импеданс на резонансной частоте, поэтому он действует как разомкнутая цепь для колебательного тока. Если трансформатор питания имеет недостаточную индуктивность рассеяния, радиочастотные дроссели помещаются во вторичные выводы для блокировки высокочастотного тока.
Для получения выходного напряжения первичная и вторичная настроенные цепи настроены на резонанс друг с другом. резонансные частоты первичной и вторичной цепей, и , реш индуктивностью и емкостью в каждой цепи:
Обычно вторичная обмотка не регулируется, поэтому первичная цепь настраивается,обычно с помощью подвижного ответвителя на первичной катушке L 1, пока он не будет резонировать на той же частоте, что и вторичный:
Таким образом, условие резонанса между первичной и вторичной обмотками:
резонансная частота катуше к Тесла находится в диапазоне низких радиочастот (RF), обычно от 50 кГц до 1 МГц. Однако из-за импульсивного характера они производят широкополосный радиошум и без экранирования могут быть значительным источником радиопомех, мешающего приему радио и телевидения поблизости.
В резонансном трансформаторе высокое напряжение создается за счет резонанса; выходное напряжение не пропорционально напряжению витков, как в обычном трансформаторе. Его можно рассчитать из сохранение энергии. В начале цикла, когда зажигается искра, вся энергия в первичной цепи остается в первичном конденсаторе . Если - это напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка, обычно близко к пиковому выходному напряжению питающего трансформатора T, эта энергия составляет
Во время "звонка" эта энергия передается во вторичный контур. Хотя часть энергии теряется в виде тепла в искре и других сопротивлениях, в современных катушках более 85% энергии попадает во вторичную обмотку. На пике () вторичного синусоидального сигнала напряжения вся энергия вторичного хранится в емкости между концами вторичной катушки
При отсутствии потерь энергии . Подставляя в это уравнение и упрощая, пиковое вторичное напряжение составляет
Вторая формула выше получена из первой с использованием условия резонанса . Поскольку емкость вторичной катушки очень мала по сравнению с первичным конденсатором, первичное напряжение повышается до высокого значения.
Вышеупомянутое пиковое напряжение достигается только в катушках, в которых отсутствуют воздушные разряды; в катушках, которые создают искры, например в развлекательных катушках, пиковое напряжение на выводе ограничено напряжением, при котором воздух пробивается и становится проводящим. Когда выходное напряжение увеличивается во время каждого импульса напряжения, оно достигает точки, когда воздух рядом с высоковольтным выводом ионизирует и коронный разряд, щеточный разряд и стримерные дуги, вылезают из терминала. Это происходит, когда напряженность электрического поля превышает электрическую прочность воздуха, примерно 30 кВ на сантиметр. Поскольку электрическое поле наибольшее на острых участках и краях, в этих точках на высоковольтном выводе начинаются воздушные разряды. Напряжение на высоковольтном выводе не может превысить напряжение пробоя воздуха, потому что дополнительный электрический заряд, накачанный на вывод от вторичной обмотки, просто улетучивается в воздух. Выходное напряжение катушек Тесла на открытом воздухе ограничено несколькими миллионами вольт за счет пробоя воздуха, но более высокие напряжения могут быть достигнуты с помощью катушек, погруженных в герметичные резервуары с изоляционным маслом .
. Большинство конструкций катушек Тесла имеют гладкий сферический или тороидальный металлический электрод на высоковольтном выводе. Электрод служит одной пластиной конденсатора, а Земля - другой пластиной, образуя настроенную схему с вторичной обмоткой. Хотя «тороид» увеличивает вторичную емкость, которая имеет тенденцию к уменьшению пикового напряжения, его основной эффект заключается в том, что его криволинейная поверхность большого диаметра уменьшает градиент потенциала (электрическое поле ) в терминал высокого напряжения; он работает аналогично коронирующему кольцу , увеличивая порог напряжения,<22
Резонансная частота первичной катушки настраивает на резонансную частоту вторичной катушки за счет использования маломощных колебаний, увеличение мощности (и перенастройки при необходимости) до тех пор, пока система не будет работать должным образом на максимуме сила. Во время настройки к верхнему выводу часто используется небольшой выступ (называемый «прорывом»), чтобы стимулировать коронный разряд и искровые разряды (иногда называемые стримерами) в окружающий воздух. Затем можно отрегулировать так, чтобы получить самые длинные стримеры при заданном уровне мощности, соответствующем совпадению частот между первичной и вторичной катушками. Емкостная «нагрузка» стримеров тенденцию понижать резонансную частоту катушки Тесла, работающую на полной мощности. Тороидальная нагрузка часто предпочтительнее других форм, таких как сфера. Тороид с большим диаметром, который намного больше вторичного диаметра, обеспечивает улучшенное формирование электрического поля при максимальной нагрузке. Это обеспечивает лучшую защиту вторичной обмотки (от повреждающих ударов стримера), чем сфера аналогичного диаметра. Кроме того, тороид позволяет независимо управлять емкостью максимальной нагрузки в зависимости от напряжения искрового пробоя. Емкость тороида в основном от его большого диаметра, а напряжение искрового пробоя в основном зависит от его меньшего диаметра. Осциллятор падения сетки (GDO) иногда используется для облегчения начальной настройки и помощи при проектировании. Резонансную частоту вторичной обмотки можно точно определить, кроме как с помощью GDO или другого экспериментального метода, как физические свойства первичной обмотки более точно представить себе приближения конструкции радиочастотного резервуара. В этой схеме вторичная обмотка построена несколько произвольно, имитируя другие успешные конструкции, или полностью так, при наличии подручных расходных материалов, ее резонансная частота измеряется и первичная обмотка рассчитана на соответствие.
. В катушках, вырабатывающих воздушные разряды, например, для развлечений, электрическая энергия от вторичной обмотки и тороида передается в окружающий воздух. как электрический заряд, тепло, свет и звук. Процесс аналогичен заряду или разрядке конденсатора, за исключением того, что в катушке Тесла используется переменный ток вместо постоянного. Ток, принимающий при смещении зарядов внутри конденсатора, называется током с ущербом. Разряды катушки Тесла образуются в результате токов смещения, когда импульсы электрического заряда быстро передаются между высоковольтным тороидом и близлежащими областями в воздухе (называемыми областями пространственного заряда ). Они играют роль в появлении разрядов катушки Тесла.
При срабатывании разрядника заряженный конденсатор разряжается в первичной обмотке, вызывая колебания первичной цепи. Колебательный первичный ток вибрирует, который соединяется со вторичной обмоткой. Передача энергии происходит в течение нескольких циклов, пока большая часть энергии, которая изначально была на первичной стороне, не будет передана вторичной стороне. Чем больше магнитная связь между обмотками, тем короче время, необходимое для завершения передачи энергии. По мере увеличения энергии в колеблющейся накопительной вторичной цепи амплитуда высокочастотного напряжения тороида быстро увеличивается, и воздух, окружающий тороид, начинает подвергаться диэлектрическому пробою, образуя коронный разряд.
По мере того, как энергия вторичной катушки (и выходное напряжение) продолжает расти, более сильные импульсы тока с окружающей средой ионизируют и нагревают воздух в точке начального пробоя. Это формирует очень электропроводящий «корень» более горячую плазмы, называемый лидером, который выступает наружу из тороида. Плазма внутри лидера значительно горячее, чем коронный разряд, и значительно более проводящая. Фактически, его свойства аналогичны свойствам электрической дуги . Лидер сужается и разветвляется на тысячи более тонких, холодных, похожих на волосы разрядов (называемых стримерами). Стримеры выглядят как голубоватая «дымка» на концах более ярких лидеров. Стримеры передают заряд между лидерами и тороидом в близлежащих областях пространственного заряда. Все токи с ущербом от бесчисленных стримеров проходят в поводок, помогая поддерживать его в горячем состоянии и поддерживать электрическую проводимость.
Скорость первичного обрыва искрообразующих катушек Тесла мала по сравнению с резонансным узлом резонатор-верхняя нагрузка. Когда переключатель замыкается, энергия передается от первичного LC-контура к резонатору, где в течение короткого периода времени возникает напряжение, достигающее кульминации в электрическом разряде. В катушке Тесла с искровым промежутком процесс передачи из первичной во вторичной происходит периодически с типичными импульсами 50–500 раз в секунду, в зависимости от частоты входного линейного напряжения. При таких настройках настроенные ранее лидерные каналы не имеют возможности остыть между импульсами. Таким образом, при последовательных импульсах новые разряды развиваться по горячим путям, оставленным их предшественниками. Это вызовенный рост лидера от одного импульса к другому, удлиняя весь разряд на каждом последующем импульсе. Повторяющиеся импульсные порции роста разрядов до тех, пока средняя энергия, доступная от катушки Тесла во время каждого импульса, не уравновесит среднюю энергию, теряемую в разрядах (в основном в виде тепла). В этот момент динамическое равновесие достигается и разряды достижимой максимальной длины для уровня выходной мощности катушки Тесла. Уникальное сочетание нарастающей огибающей радиочастоты высокого напряжения и повторяющихся импульсов идеально подходящего для создания длинных разветвляющихся разрядов, которые значительно дольше, чем можно было бы ожидать, исходя только из соображений выходного напряжения. Высоковольтные разряды с низкой энергией нитевидные разветвленные разряды лилово-синего цвета. Высоковольтные разряды высокой энергии более разряды с меньшим толстым ответвлением, бледные и светящиеся, почти белые и длиннее разрядов низкой энергии из-за повышенной ионизации. В этом районе будет возникать сильный запах озона и оксидов азота. Важными факторами максимальной продолжительности разряда напряжение, энергия и состояние воздуха от низкой до умеренной энергии. Существует сравнительно немного научных исследований, посвященных возникновению и росту импульсных низкочастотных радиочастотных разрядов, поэтому некоторые аспекты воздушных разрядов Тесла не так хорошо изучены по сравнению с постоянным током, переменным током промышленных частот, высоковольтным импульсом и грозовыми разрядами.
Сегодня, хотя небольшие катушки используются в качестве детекторов утечек в научных системах высокого вакуума и воспламенителей в аппаратах для дуговой сварки, их применение - развлекательные и образовательные дисплеи.
Катушки Тесла выставлены в качестве примера в научных музеях и на ярмарках электроники и используются для демонстрации принципов высокочастотного электричества на уроках естественных наук в школах. и колледжи.
>>
>1 ПРОСТЫЕ ПРОСТЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ любителя катушки Тесла - популярный студенческий научный проект, и их изготавливает большое мировое сообщество любителей. Конструкторов катушек Тесла в качестве хобби называют моталки. Они посещают конгрессы по "намотке", где демонстрируют свои самодельные катушки Тесла и другие высоковольтные устройства. Катушки Тесла с низким энергопотреблением также иногда используются в качестве источника высокого напряжения для фотографии Кирлиана.
Самая большая в мире катушка Тесла - это блок мощностью 130 000 Вт, построенный Грегом Лейхом и Эриком Орром, часть скульптуры высотой 38 футов (12 м) под названием Электрум, принадлежащей Алану Гиббсу и в настоящее время находится в частном парке скульптур в Какануи-Пойнт около Окленда, Новая Зеландия. Очень большая катушка Тесла, разработанная и построенная Сидом Клинджем, год демонстрируется на фестивале музыки и каждого искусства Coachella Valley в Коачелла, Индио, Калифорния, США. Остин Ричардс, физик из Калифорнии, в 1997 году создал металлический «костюм Фарадея », который защищает его от разрядов катушки Тесла. В 1998 году он назвал персонажа в костюме Доктором МегаВольт и выступал по всему миру и на Burning Man девять лет.
Катушки Тесла также одна для генерации звуков, включая музыку, путем модуляции эффективной скорости прерывания системы (т. Е. Скорости и продолжительности высокочастотных сигналов высокой мощности) с помощью данных MIDI. и блок управления. Фактические MIDI-данные интерпретируются микроконтроллером, который преобразует MIDI-данные в выходной сигнал PWM, который может быть отправлен на катушку Тесла через оптоволоконный интерфейс. YouTube видео Тема Super Mario Brothers в стерео и гармонии на двух катушках демонстрирует характеристики согласованных твердотельных катушек, работающих на частотах 41 кГц. Катушки были построены и эксплуатировались дизайнерами-любителями Джеффом Ларсоном и Стивом Уордом. Устройство было названо Зевсафоном в честь Зевса, греческого бога молнии, и как игра слов, относящихся к Сузафон. Идея проигрывать музыку на поющих катушках Тесла облетает мир, и несколько последователей продолжают работу инициаторов. Обширный концерт на открытом защищенном музыкальном инструменте с использованием катушек Тесла во время Engineering Open House (EOH) в Универсальном штате Иллинойс в Урбана-Шампейн. Исландская художница Бьорк использовала катушку Тесла в своей песне «Молния» в качестве основного инструмента в песне. Музыкальная группа ArcAttack использует модулированные катушки Тесла и человека в костюме с цепочкой для воспроизведения музыки.
Ученые, работающие с системами высокого вакуума, проверяют наличие крошечных отверстий для штифтов в аппарате (особенно недавно выдутой стеклянной посуде), используя высоковольтные разряды, создаваемые небольшая портативная катушка Тесла. Когда система откачивается, высоковольтный электрод катушки проходит по внешней стороне устройства. При низком давлении воздух легче воздухизируется и, таким образом, проводит электричество лучше, чем воздух легче воздуха. Следовательно, разряд проходит через любое отверстие под штифт непосредственно под ним, создаваемый коронный разряд внутри вакуумированного пространства, который освещает отверстие, которое необходимо отжечь или перенастроить, прежде чем можно будет использовать в эксперименте.
Высоковольтные радиочастотные (RF) разряды от выходного контакта катушки Тесла представляет уникальную опасность, не встречающуюся в другом высоковольтном оборудовании: когда проходя через тело, они часто не вызывает болезненных ощущений и сокращений мышц удар электрическим током, как это делают токи более низкой частоты переменного или постоянного тока. Нервная система нечувствительна к токам с частотами выше 10-20 кГц. Считается, что причина этого в определенном минимальном количестве том должно проходить через мембрану нервной клетки под действием приложенного напряжения, чтобы вызвать деполяризацию нервной клетки и передать импульс. На радиочастотах в течение полупериода недостаточно времени для достаточного количества необходимого, чтобы пересечь мембрану, прежде чем переменное изменится на противоположное. Опасность состоит в том, что поскольку не ощущается, экспериментаторы часто предполагают, что токи безвредны. Учителя и любители, демонстрирующие маленькие катушки Тесла, часто производят впечатление на свою аудиторию, касаясь высоковольтной клеммы или позволяя дугам стримеров проходить через их тело.
Если дуги от высоковольтной клеммы ударяются о голую кожу, они могут вызвать глубокие ожоги, называемые радиочастотными ожогами. Этого часто можно избежать, вместо этого позволяя дуге ударяться о кусок металла, который держится в руке, или наперсток на пальце. Ток проходит от металла к руке человека через достаточно широкую поверхность, чтобы избежать ожогов. Часто не ощущается никаких ощущений, только тепло или покалывание.
Однако это не означает, что ток безвреден. Даже небольшая катушка Тесла производит во много раз больше электроэнергии, чем необходимо для остановки сердца, если частота оказывается достаточно низкой, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков. Незначительная неправильная регулировка катушки может привести к поражению электрическим током. Кроме того, радиочастотный ток нагревает ткани, через которые проходит. Токи катушки Тесла, прикладываемые непосредственно к коже с помощью электродов, использовались в начале 20 века для глубокого нагрева тканей тела в области медицины длинноволновой диатермии. Степень нагрева зависит от плотности тока, которая зависит от выходной мощности катушки Тесла и площади поперечного сечения пути, по которому ток проходит через тело к земле. В частности, если он проходит через узкие структуры, такие как кровеносные сосуды или суставы, он может повышать локальную температуру тканей до гипертермического уровней, «сваривая» внутренние органы или вызывая другие травмы. Международные стандарты ICNIRP для радиочастотного тока в теле в диапазоне частот катушки Тесла 0,1 - 1 МГц определяют максимальную плотность тока 0,2 мА на квадратный сантиметр и максимальную степень поглощения энергии (SAR) в тканях 4 Вт / кг в конечностях и 0,8 Вт / кг в среднем по всему телу. Даже катушки Тесла малой мощности могут выйти за эти пределы, и, как правило, невозможно определить пороговый ток, при котором начинается телесное повреждение. Удар дугой от катушки Тесла большой мощности (>1000 Вт) может быть фатальным.
Другой опасностью, о которой сообщают, является то, что дуга от клеммы высокого напряжения часто попадает в первичную обмотку катушки. Это на мгновение создает токопроводящий путь для смертельного первичного тока 50/60 Гц от трансформатора питания, который достигает выходной клеммы. Если человек в это время подключен к выходному разъему, либо прикоснувшись к нему, либо позволив дуге от терминала коснуться тела человека, тогда высокий первичный ток может пройти через проводящий путь ионизированного воздуха через тело к земле, вызывая поражение электрическим током.
Ошибочное объяснение отсутствия электрического шока, которое сохраняется среди любителей катушек Тесла, состоит в том, что высокочастотные токи проходят через тело близко к поверхности и, следовательно, не проникают в жизненно важные органы или нервы из-за электромагнитного явления, называемого скин-эффектом.
Эта теория ложна. Радиочастотный ток имеет тенденцию течь по поверхности проводников из-за скин-эффекта, но глубина, на которую он проникает, называемая глубиной скин-слоя, зависит от удельного сопротивления и проницаемости материала, а также частота. Хотя скин-эффект ограничивает токи частот катушки Тесла внешней долей миллиметра в металлических проводниках, скин-эффект тока в тканях тела намного больше из-за их более высокого удельного сопротивления. Глубина проникновения токов с частотой Тесла (0,1–1 МГц) в ткани человека составляет примерно от 24 до 72 см (от 9 до 28 дюймов). Поскольку даже самые глубокие ткани расположены ближе к поверхности, скин-эффект мало влияет на путь тока через тело; он имеет тенденцию проходить путь с минимальным электрическим сопротивлением к земле и может легко проходить через сердцевину тела. В медицинской терапии, называемой длинноволновой диатермией, тщательно контролируемый радиочастотный ток с частотами Тесла десятилетиями использовался для разогрева глубоких тканей, включая нагревание внутренних органов, таких как легкие. Современные аппараты для коротковолновой диатермии используют более высокую частоту 27 МГц, которая, соответственно, будет иметь меньшую толщину кожи, но эти частоты все еще могут проникать в глубокие ткани тела.
На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с катушками Тесла. |